通过仿生策略开发具有非凡传感能力的电子皮肤（e-skin）对于可穿戴电子产品在物联网和人机交互具有巨大的潜力。然而，汗液在皮肤表面的积累严重地影响了电子皮肤贴片传感信号的稳定性和准确性，电子皮肤的穿戴舒适性和稳定的功能界面仍然是一个巨大的挑战。

近期，江南大学魏取福教授、吕鹏飞研究员团队联合天津大学郭嘉祥副教授团队在《Advanced Fiber Materials》上发表了最新研究成果“An All-Nanofiber-Based Customizable Biomimetic Electronic Skin for Thermal-Moisture Management and Energy Conversion”。研究者受自然界荷叶双面亲疏水性差异结构启发，通过静电纺丝和丝网印刷技术的连续化制造策略，开发出一种具有梯度孔隙结构的单向导湿电子皮肤（UWTES），液态金属与银纳米片的合金化作用有效地解决了与衬底之间的亲和力问题。由于PVDF-HFP优异的摩擦电特性，将UWTES电子皮肤应用于柔性摩擦纳米发电机（UT-TENG），实现了能源传感、发电的功能。将UT-TENG与深度学习算法进一步融合，构建了步态识别系统，用于感知不同步态条件时人体运动状态，识别准确率高达99.7%。作为概念验证，UWTES纺织品的温度可视化系统（TUWTES）在25°C-40°C范围内展示了可靠的颜色切换能力，无需额外能源供应即可实现个体体温的监测和显示。

图1：TUWTES纺织品的结构特点、多功能及潜在应用。

图2：UWTES和TUWTES织物的制备和表征。

通过一步法静电纺丝技术和丝网印刷制备UWTES和TUWTES电子织物。SEM图像显示在UWTES织物中观察到平滑交错的孔隙梯度网络结构，平均孔径分别为19.95 μm和9.7 μm（图2b-c）。在丝网印刷LM-Ag之后，所得的 TUWTES电子织物变的SEM横截面图像显示其具有稳定的4层结构，厚度为342μm，而表面仍然是光滑的（图2d）。应力-应变曲线显示，电子织物提供交错和互连的3D网络，满足实际应用中的力学特性，这意味着它们具有可穿戴电子皮肤的应用潜力。

图3：UWTES织物单向输水特性、透气性和透湿性。

通过诱导表面能量梯度差异，制备的UWTES电子织物成功实现了单向水分传输和自发吸收，透气率为26.5 mm/s，透湿率为1725.7 g/((d·m2))，保证了长时间佩戴时的舒适性。这对于促进体内多余热量的排出，快速降低剧烈运动后热风险具有重要意义。

图4：UWTES织物的摩擦电输出性能。

图5：UT-TENG用于自供能传感。

基于UWTES纺织品的摩擦纳米发电机（UT-TENG）表现出优异的机电性能，开路电压为188.7V，短路电流为18.89Μa，具有优异的循环稳定性。将其集成到人体运动关键部位，可以准确灵敏地监测细微的运动变化，表现出令人印象深刻的自供电传感性能。

图6：UWTES织物在运动步态感知中的应用。

通过结合机器学习技术，将UT-TENG集成到智能鞋垫中开发了一种步态识别系统，实现99.7%的高识别准确率。此外，在不同外部负载和不同传感器位置下仍保持94.9%、99.4%和99.8%的高精度鲁棒性，验证了模型良好的分类精度、通用性和鲁棒性。

图7：TUWTES织物热致变色和焦耳热性能。

通过UWTES纺织品整合不同变色温度的热致变色微胶囊得到的TUWTES纺织品，实现了高强度运动时体温的实时可视化监测和预警。此外，通过反复施加0.3 V直流电压进行循环加热测试，证明了在室温和76.2°C之间的重复性和快速的温度响应。这些发现证实了智能纺织品的可编程定制能力和体温监测功能，可以促使个人在高温时及时采取保护措施或寻求医疗援助，特别是对老年人和儿童。

综上所述，我们基于非均质纳米纤维膜和可控液态金属基导电涂层的构建策略，开发了一种用于人体步态识别的单向水传输摩擦电子皮肤（UWTES）。此外，UT-TENG通过结合机器学习，可进一步用于精确的步态监测和分析，实现99.7%的高识别准确率。通过引入热致变色微胶囊，TUWTES织物实现了高强度运动时体温的实时可视化监测和警示。作为概念验证，这种创新的新一代透气、自供能电子皮肤的设计为智能传感纺织品、康复医学、软体机器人和人机交互等应用领域提供了新见解。

论文链接：

https://link.springer.com/article/10.1007/s42765-025-00541-w?utm_source=xmol&utm_medium=affiliate&utm_content=meta&utm_campaign=DDCN_1_GL01_metadata

人物简介：

魏取福，江南大学教授，博士生导师，主要研究方向为纳米纤维功能材料、生物基纤维材料、智能可穿戴材料及其应用。入选教育部新世纪优秀人才。主持和承担了国家重点研发计划、国家高技术研究计划（863）、国家自然科学基金、科技部科研院所专项、教育部创新团队、新世纪人才计划、教育部重点项目等科研项目20余项。相关成果获教育部自然科学二等奖、新疆维吾尔自治区自然科学二等奖、中国商业联合会科学技术一等奖、纺织工业协会教学成果一等奖等科研奖励。主编有Woodhead Publishing出版的英文学术专著2部。2020和2023连续四年入选爱思唯尔“中国高被引学者”。

吕鹏飞，校聘研究员，硕士生导师，中国科协青年人才托举工程项目入选者。目前主要致力于功能纺织纤维材料的设计及在柔性可穿戴、软机器人和热管理等领域的应用研究。主持中国科协青年托举人才项目、国家自然科学基金面上/青年项目、江苏省局重大项目课题、江苏省自然科学基金面上项目等科研项目10余项，相关研究成果获2021年新疆维吾尔自治区自然科学二等奖、2023年度发明创新奖、2020年江苏省优秀博士学位论文、王善元全国优秀博士学位论文基金和天津市“海河英才”青年人才项目等科研奖励。

郝艺，博士研究生，江南大学。从事纤维电极的结构设计及柔性传感器的研究。

论文信息：

Yi Hao, Yuxin Zhang, Jie Li, Alan J.X. Guo*, Pengfei Lv*, Qufu Wei*, An All-Nanofiber-Based Customizable Biomimetic Electronic Skin for Thermal-Moisture Management and Energy Conversion. Adv. Fiber Mater., 2025.